Chất hữu cơ gốc silic là một nhóm lớn các hợp chất. Tên thứ hai, phổ biến hơn cho chúng là silicon. Phạm vi của các hợp chất organosilicon không ngừng phát triển. Chúng được sử dụng trong hầu hết các lĩnh vực hoạt động của con người - từ du hành vũ trụ đến y học. Vật liệu dựa trên chúng có chất lượng kỹ thuật và tiêu dùng cao.
Khái niệm chung
Hợp chất organosilicon là những hợp chất có liên kết giữa silic và cacbon. Chúng cũng có thể chứa các nguyên tố hóa học bổ sung khác (oxy, halogen, hydro và những nguyên tố khác). Về mặt này, nhóm chất này được phân biệt bởi rất nhiều tính chất và ứng dụng. Không giống như các hợp chất hữu cơ khác, các hợp chất organosilicon có đặc tính hoạt động tốt hơn và độ an toàn cao hơn đối với sức khỏe con người cả khi chúng được lấy và khi sử dụng các vật dụng,làm từ chúng.
Nghiên cứu của họ bắt đầu vào thế kỷ XIX. Silic tetraclorua là chất đầu tiên được tổng hợp. Trong khoảng thời gian từ những năm 20 đến những năm 90 cùng thế kỷ, người ta đã thu được nhiều hợp chất thuộc loại này: silan, ete và các este được thế của axit orthosilicic, alkylchlorosilanes, và các hợp chất khác. Sự giống nhau về một số tính chất của silic và các chất hữu cơ thông thường đã dẫn đến việc hình thành một ý kiến sai lầm rằng silic và các hợp chất cacbon là hoàn toàn giống nhau. Nhà hóa học người Nga D. I. Mendeleev đã chứng minh rằng điều này không phải như vậy. Ông cũng xác định rằng các hợp chất silic-oxy có cấu trúc cao phân tử. Điều này không điển hình cho các chất hữu cơ, trong đó có sự liên kết giữa oxy và carbon.
Phân loại
Hợp chất organosilicon chiếm vị trí trung gian giữa chất hữu cơ và cơ kim. Trong đó, 2 nhóm chất lớn được phân biệt: khối lượng phân tử thấp và khối lượng phân tử cao.
Trong nhóm đầu tiên, các hydro nguyên silic đóng vai trò là hợp chất ban đầu, và phần còn lại là dẫn xuất của chúng. Chúng bao gồm các chất sau:
- silan và các chất tương đồng của nó (disilan, trisilan, tetrasilan);
- silan được thay thế (butylsilane, tert-butylsilane, isobutysilane);
- Ete của axit orthosilicic (tetramethoxysilan, dimethoxydiethoxysilan);
- haloesters của axit orthosilicic (trimethoxychlorosilane, methoxyethoxydichlorosilane);
- este được thay thế của axit orthosilicic (metyltriethoxysilan, metylphenyldiethoxysilan);
- alkyl- (aryl) -halosilanes (phenyltrichlorosilane);
- dẫn xuất hydroxyl của organosilanes(dihydroxydiethylsilane, hydroxymethylethylphenylsilane);
- alkyl- (aryl) -aminosilanes (diaminomethylphenylsilane, methylaminotrimethylsilane);
- alkoxy- (aryloxy) -aminosilanes;
- alkyl- (aryl) -aminohalosilanes;
- alkyl- (aryl) -iminosilanes;
- isocyanates, thioisocyanates và thioethers silicon.
Hợp chất organosilicon trọng lượng phân tử cao
Cơ sở để phân loại các hợp chất hữu cơ cao phân tử là polyme silic hydro, sơ đồ cấu trúc của chúng được thể hiện trong hình bên dưới.
Các chất sau thuộc nhóm này:
- alkyl- (aryl) -polysilanes;
- organopolyalkyl- (polyaryl) -silanes;
- polyorganosiloxanes;
- polyorganoalkylene- (phenylene) -siloxan;
- polyorganometallosiloxanes;
- polyme chuỗi metalloidsilane.
Tính chất hóa học
Vì những chất này rất đa dạng, rất khó để thiết lập các mẫu chung đặc trưng cho liên kết giữa silicon và carbon.
Các tính chất đặc trưng nhất của hợp chất organosilicon là:
- Khả năng chịu được nhiệt độ cao được xác định bởi loại và kích thước của gốc hữu cơ hoặc các nhóm khác liên kết với nguyên tử Si. Các silan tetrasubstitured có độ bền nhiệt cao nhất. Sự phân hủy của chúng bắt đầu ở nhiệt độ 650-700 ° C. Polydimethylsiloxylanes bị phá hủy ở nhiệt độ 300 ° C. Tetraethylsilane và hexaethyldisilane phân hủy khi đun lâu ở nhiệt độ 350 ° C,trong trường hợp này, 50% gốc etylic bị loại bỏ và etan được giải phóng.
- Khả năng chống hóa chất đối với axit, kiềm và rượu phụ thuộc vào cấu trúc của gốc liên kết với nguyên tử silic và toàn bộ phân tử của chất. Vì vậy, liên kết của cacbon với silic trong este được thế béo không bị phá hủy khi tiếp xúc với axit sunfuric đặc, trong khi ở este hỗn hợp alkyl- (aryl), ở cùng điều kiện, nhóm phenyl bị phân cắt. Các liên kết siloxan cũng có độ bền cao.
- Hợp chất organosilicon có khả năng chống kiềm tương đối. Sự phá hủy của chúng chỉ xảy ra trong những điều kiện khắc nghiệt. Ví dụ, trong polydimethylsiloxan, sự phân cắt của các nhóm metyl chỉ được quan sát thấy ở nhiệt độ trên 200 ° C và dưới áp suất (trong nồi hấp).
Đặc điểm của hợp chất cao phân tử
Có một số loại chất đại phân tử gốc silicon:
- đơn chức;
- chức năng;
- chức năng;
- tứ không.
Kết hợp các hợp chất này, bạn nhận được:
- dẫn xuất disiloxan, thường là các hợp chất lỏng;
- polyme tuần hoàn (chất lỏng dầu);
- chất đàn hồi (polyme có cấu trúc mạch thẳng bao gồm vài chục nghìn monome và trọng lượng phân tử lớn);
- polyme có cấu trúc tuyến tính, trong đó các nhóm cuốibị chặn bởi các gốc hữu cơ (dầu).
Nhựa có tỷ lệ gốc metyl trên silicon là 1,2-1,5 là chất rắn không màu.
Các tính chất sau đặc trưng cho các hợp chất silicon hữu cơ cao phân tử:
- chịu nhiệt;
- kỵ nước (khả năng chống thấm nước);
- hiệu suất điện môi cao;
- duy trì giá trị độ nhớt không đổi trong phạm vi nhiệt độ rộng;
- ổn định hóa học ngay cả trong điều kiện có chất oxy hóa mạnh.
Tính chất vật lý của silan
Vì những chất này rất không đồng nhất về cấu trúc và thành phần, chúng tôi chỉ giới hạn bản thân để mô tả các hợp chất organosilicon thuộc một trong những nhóm phổ biến nhất - silan.
Monosilane và disilane (SiH4và Si2H4tương ứng) ở mức bình thường điều kiện là chất khí có mùi khó chịu. Trong điều kiện thiếu nước và oxy, chúng khá ổn định về mặt hóa học.
Tetrasilane và trisilane là chất lỏng độc hại dễ bay hơi. Pentasilane và hexasilane cũng độc và không ổn định về mặt hóa học.
Các chất này tan tốt trong rượu, xăng, cacbon disunfua. Loại dung dịch thứ hai có nguy cơ nổ cao. Điểm nóng chảy của các hợp chất trên nằm trong khoảng từ -90 ° C (tetrasilane) đến -187 ° C (trisilane).
Nhận
Việc bổ sung các gốc vào Si diễn ra khác nhau và phụ thuộc vào đặc tính của nguyên liệu ban đầu và các điều kiện xảy ra quá trình tổng hợp. Một vàiCác hợp chất của silic với các chất hữu cơ chỉ có thể được tạo ra trong các điều kiện khắc nghiệt, trong khi các hợp chất khác phản ứng dễ dàng hơn.
Thu được các hợp chất organosilicon dựa trên liên kết silan được thực hiện bằng cách thủy phân alkyl (hoặc aryl) -chloroxysilanes (hoặc alkoxysilanes) sau đó là quá trình polycondensation silanols. Một phản ứng điển hình được thể hiện trong hình bên dưới.
Phản ứng trùng hợp có thể tiến hành theo ba hướng: tạo thành các hợp chất mạch thẳng hoặc mạch vòng, thu nhận các chất có cấu trúc mạng hoặc cấu trúc không gian. Các polyme tuần hoàn có mật độ và độ nhớt cao hơn so với các polyme mạch thẳng của chúng.
Tổng hợp các hợp chất cao phân tử
Nhựa hữu cơ và chất đàn hồi gốc silicon được tạo ra bằng cách thủy phân các monome. Các sản phẩm thủy phân sau đó được làm nóng và thêm chất xúc tác. Kết quả của quá trình biến đổi hóa học, nước (hoặc các chất khác) được giải phóng và các polyme phức tạp được hình thành.
Hợp chất organosilicon có chứa oxy dễ bị trùng hợp hơn các hợp chất dựa trên cacbon tương ứng của chúng. Ngược lại, silicon có thể giữ 2 hoặc nhiều nhóm hydroxyl. Khả năng hình thành các phân tử polyme liên kết chéo từ các phân tử mạch vòng chủ yếu phụ thuộc vào kích thước của gốc hữu cơ.
Phân tích
Phân tích các hợp chất organosilicon được thực hiện theo một số hướng:
- Xác định các hằng số vật lý (điểm nóng chảy, điểm sôi và các đặc điểm khác).
- Phân tích định tính. Để phát hiện các hợp chất thuộc loại này trong vecni, dầu và nhựa, mẫu thử được nung chảy với natri cacbonat, chiết bằng nước, sau đó được xử lý bằng amoni molybdat và benzidin. Nếu có organosilicon, mẫu sẽ chuyển sang màu xanh lam. Có những cách khác để phát hiện.
- Phân tích định lượng. Đối với cả nghiên cứu định tính và định lượng các hợp chất organosilicon, phương pháp quang phổ phát xạ và hồng ngoại được sử dụng. Các phương pháp khác cũng được sử dụng - phân tích sol-gel, quang phổ khối lượng, cộng hưởng từ hạt nhân.
- Nghiên cứu vật lý và hóa học chi tiết.
Sản xuất trước quá trình phân lập và tinh chế chất. Đối với các chế phẩm rắn, việc phân tách các hợp chất được thực hiện trên cơ sở độ hòa tan, điểm sôi và độ kết tinh khác nhau của chúng. Việc phân lập các hợp chất silic hữu cơ tinh khiết về mặt hóa học thường được thực hiện bằng phương pháp chưng cất phân đoạn. Các pha lỏng được phân tách bằng phễu chiết. Đối với hỗn hợp khí, sự hấp thụ hoặc hóa lỏng ở nhiệt độ thấp và phân đoạn được sử dụng.
Đơn
Phạm vi của các hợp chất organosilicon là rất lớn:
- sản xuất chất lỏng kỹ thuật (dầu bôi trơn, chất lỏng làm việc cho máy bơm chân không, dầu hỏa, bột nhão, nhũ tương, chất khử bọt và các loại khác);
- công nghiệp hóa chất - sử dụng làm chất ổn định, chất điều chỉnh, chất xúc tác;
- công nghiệp sơn và vecni - phụ gia để sản xuất lớp phủ chịu nhiệt, chống ăn mòn cho kim loại, bê tông, thủy tinh và các vật liệu khác;
- kỹ thuật hàng không vũ trụ - vật liệu ép, chất lỏng thủy lực, chất làm mát, hợp chất chống đóng băng;
- kỹ thuật điện - sản xuất nhựa và vecni, vật liệu để bảo vệ mạch tích hợp;
- ngành kỹ thuật - sản xuất các sản phẩm cao su, hợp chất, chất bôi trơn, chất bịt kín, chất kết dính;
- công nghiệp nhẹ - chất điều chỉnh của sợi dệt, da, giả da; người phá hoại;
- ngành công nghiệp dược phẩm - sản xuất vật liệu cho chân tay giả, chất kích thích miễn dịch, chất thích nghi, mỹ phẩm.
Ưu điểm của các chất này bao gồm thực tế là chúng có thể được sử dụng trong nhiều điều kiện khác nhau: ở vùng khí hậu nhiệt đới và lạnh, ở áp suất cao và trong chân không, ở nhiệt độ cao và bức xạ. Các lớp phủ chống ăn mòn dựa trên chúng được hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ -60 đến +550 ° С.
Chăn nuôi
Việc sử dụng hợp chất organosilicon trong chăn nuôi dựa trên thực tế là silic tham gia tích cực vào quá trình hình thành xương và các mô liên kết, các quá trình trao đổi chất. Nguyên tố vi lượng này rất quan trọng đối với sự tăng trưởng và phát triển của vật nuôi.
Như hiển thịnghiên cứu, đưa phụ gia có chất organosilicon vào khẩu phần ăn của gia cầm, gia súc góp phần tăng khối lượng sống, giảm tỷ lệ chết và chi phí thức ăn trên một đơn vị sinh trưởng, tăng chuyển hóa nitơ, canxi, phốt pho. Việc sử dụng các loại thuốc này ở bò cũng giúp ngăn ngừa các bệnh sản khoa.
Sản xuất tại Nga
Doanh nghiệp hàng đầu trong việc phát triển các hợp chất organosilicon ở Nga là GNIIChTEOS. Đây là một trung tâm khoa học tổng hợp tham gia vào việc tạo ra các công nghệ công nghiệp để sản xuất các hợp chất dựa trên silicon, nhôm, boron, sắt và các nguyên tố hóa học khác. Các chuyên gia của tổ chức này đã phát triển và giới thiệu hơn 400 vật liệu organosilicon. Công ty có một nhà máy thí điểm để sản xuất.
Tuy nhiên, Nga trong động lực toàn cầu của sự phát triển sản xuất các hợp chất hữu cơ dựa trên silicon là kém hơn nhiều so với các nước khác. Vì vậy, trong 20 năm qua, ngành công nghiệp Trung Quốc đã tăng sản lượng các chất này lên gần 50 lần, và Tây Âu - gấp 2 lần. Hiện tại, việc sản xuất các hợp chất organosilicon ở Nga được thực hiện tại KZSK-Silicon, Công ty cổ phần Altaihimprom, tại Nhà máy thí điểm Redkinsky, Công ty cổ phần Khimprom (Cộng hòa Chuvash), Công ty cổ phần Silan.
